第一作者：Shujiao Yang

通訊作者：鄭浩銓、曹睿、張偉

通訊單位：陜西師范大學

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本文綜述了過渡金屬基多相電催化劑在水氧化反應中的應用機制。水氧化反應是太陽能轉(zhuǎn)換過程中的關鍵步驟，對于實現(xiàn)高效的能源轉(zhuǎn)換，開發(fā)成本效益高且耐用的水氧化催化劑至關重要。

文章首先介紹了水氧化反應的背景和重要性，隨后詳細討論了不同過渡金屬（包括錳、鐵、鈷、鎳和銅）基催化劑的催化機制，并強調(diào)了監(jiān)測關鍵中間體以探索反應路徑的重要性。此外，還介紹了用于物理表征水氧化中間體的先進技術，旨在為水氧化研究建立可靠的方法論。

通過對過渡金屬基水氧化電催化劑的研究，可以為理解自然和人工能量轉(zhuǎn)換過程提供新的見解。

圖文導讀

圖 1 展示了自然界中光系統(tǒng)II（PSII）中氧發(fā)生中心（OEC）的結(jié)構(gòu)，以及Mn4CaO5團簇的結(jié)構(gòu)和Kok循環(huán)中的五個中間態(tài)。

圖 2 展示了OER反應組分和中間體的吉布斯自由能，以及不同催化劑上HOO*和HO*的吸附能關系圖。

圖 3 展示了在堿性溶液中OER的AEM、I2M和LOM機制，其中“*”代表活性金屬位點。

圖 4 展示了CaMn-氧化物電催化劑的水氧化機制，以及在Mn3O4納米粒子薄膜上OER過程中Mn(IV)QO物種的原位拉曼光譜。

圖 5 展示了通過抑制Mn(III)電荷離散來提高MnO₂水氧化效率的示意圖。

圖 6 展示了在中性條件下Mn₃O₄納米粒子上OER機制的示意圖。

圖 7 ?展示了在a-Mn₂O₃和MnO_x-300中水氧化機制的示意圖。

圖 8 展示了單核Mn嵌入氮摻雜石墨烯（Mn-NG）催化劑在水氧化中的OER機制。

圖 9 提出了在NiFe基和NiCoFe基催化劑中形成Fe(VI)活性物種的機制。

圖 10 提出了FeCoNi基電催化劑在堿性條件下的OER機制，以及FeOOH–NiOOH和NiFe LDH催化劑的OER機制。

圖 11 展示了Fe1(OH)x/P-C催化劑的OER機制，包括Fe K邊EXAFS光譜和C K邊XAS光譜。

圖 12 提出了CoOOH和Na₂CoP₂O₇催化劑的OER機制。

圖 13 展示了NaCo₄(PO₄)₃和Na₂CoP₂O₇的晶體結(jié)構(gòu)以及它們在中性條件下的OER機制。

圖 14 提出了Aza-CMP-Co催化劑在不同pH范圍內(nèi)的WNA和IHNA機制。

圖 15 提出了CoFeCuO₂在金屬和晶格氧位點上的OER催化循環(huán)，以及OVSM機制的吉布斯自由能圖。

圖 16 提出了Co–Fe/WP、Fe–Co/WP、Co/WP、Fe/WP、Co–Fe–N–C和Fe–Co–N–C電催化劑的OER反應機制。

總結(jié)展望

本文總結(jié)了不同過渡金屬基催化劑在OER中的各種機制，并強調(diào)了原位和操作條件下技術在研究OER機制中的重要性。

文章指出，要深入理解OER機制，研究人員應該關注OER催化劑的重構(gòu)過程，以及在實際運行條件下催化劑的真實活性位點。此外，文章還強調(diào)了設計表面穩(wěn)定的電催化劑的重要性，這將簡化反應過程并有助于研究OER機制。

最后，文章提出了未來研究的方向，包括開發(fā)新的催化劑以獨立改變不同中間體的反應性，打破HO*和HOO*之間的比例關系，以及利用均相催化水氧化的機制來理解多相催化機制。

文獻信息

標題：The mechanism of water oxidation using transition metal-based heterogeneous electrocatalysts

期刊：Chem. Soc. Rev.